diseÑo sísmico por desempeÑo para edificos en altura...

DISEÑO SíSMICO POR DESEMPEÑO PARA EDIFICOS EN ALTURA PERFORMANCE-BASED SEISMIC DESIGN FOR TALL BUILDINGS

JOHN VIISE – ASSOCIATE PRINCIPAL, THORNTON TOMASETTI

DSPD Para Edificios en Altura (PBSD of Tall

Buildings)

1987 Pudong District Shanghai, China


Buildings)

2013 Pudong District Shanghai, China


Buildings)


Buildings)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 1 2 3 4 5

Spe

ctra

l Re

spo

nse

Acc

ele

rati

on

Sa

(g)

Period, T (sec)

Taipei (ASCE7-05)

Los Angeles (ASCE7-05)

Russia (ASCE7-05)

Santiago(NCh433Of96+DS61)


Buildings)

2008 2010 2010, 2017 2013, 2017 2014, 2017


Buildings)


Buildings)


Buildings)

El diseño basado en los códigos tiene sus limitaciones (Code-based design has limitations)

Los edificios en altura son especiales: (Tall buildings are unique)

Periodos largos (Long Periods)

Efectos significativos de los modos altos (Higher mode effects significant)

Efectos significativos debidos a P-Δ (Significant P-Δ effects)

Acogen altas ocupaciones y tienen mayor impacto en caso de fallo (Large occupancy and greater impact of failure )

Los avances computacionales hacen el uso del análisis no linear más práctico (Computing advances make nonlinear analysis more practical)

Escasos ejemplos de diseño publicados (Minimal design examples published)

Qué Publicar y Por Qué? What to Publish and Why?


Buildings)

Procedimientos de diseño que pueden establecer el nivel de desempeño para: (Design Procedures that can set desired performance for:)

Seguridad para la vida (Minimo exigido por el código) (Life Safety (Code minimum))

Recuperar la ocupabilidad (Restore Occupancy)

Limitar el coste de las reparaciones (Limit Repair Costs)

Ventajas prácticas (What is it Good For?)


Buildings) Práctica Estándar Internacional (International Standard Practice)

Estados Unidos + ASCE 7-16

DSPD históricamente utilizado para refuerzos estructurales (ASCE 41) (PBSD retrofit history)

DSPD es un proceso en dos etapas (PBSD process two-step)

Cálculo lineal con factores R (factores sísmicos de reducción) (Code linear analysis with R-values (seismic reduction factors))

El código impone un sistema de límites de altura (Code system height limits)

China

DSPD para edifcios que rebasan los límities (altura) (PBSD for buildings are over-limit (height))

DSPD es un proceso en dos etapas(Two-step design process PBSD)

Eurocode 8

Cálculo lineal con factores sísmicos de reducción (Code linear analysis with seismic reduction factors)

Sin límite de altura y sin mención del DSPD (No height limits and no mention of PBSD)

P = Probabilidad de Excederse en una vida de n años = P = 1 – (1 - Pa)n (Probability of Exceedance in a life of n years)

Pa = Probabilidad Annual de Excederse (Annual Probability of Exceedance)

Periodo de Retorno = 1/Pa (Return Period) n = 50 años (years)

Sismo Moderado o de Diseño (DE = 2/3MCE) – Codigo (Moderate or Design Level Earthquake - Code)

Periodo de Retorno = 475 años (Return Period = 475 years)

Sismo Frecuente o de Servicio (SLE) – PBSD Etapa 1 (Frequent or Service Level Earthquake – PBSD Step 1)

Frecuente: Periodo de Retorno = 50 años (Frequent: Return Period = 50 years)

SLE: Periodo de Retorno = 43 años (SLE: Return Period = 43 years)

Sismo Raro o Máximo Considerado (MCE) – PBSD Etapa 2 (Rare or Maximum Considered Earthquake – PBSD Step 2)

Raro: Periodo de Retorno = 2000 años (Rare: Return Period = 2000 years)

MCE: Periodo de Retorno = 2475 años (MCE: Return Period = 2475 years)

Sismicidad (Intensidad y Frecuencia) (Seismicity (Intensity and Frequency))


Buildings)

El factor de reducción R tiene en cuenta la ductilidad del sistema de forma indirecta

(R-Factor Accounts for System Ductility Indirectly)

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

0 2 4 6

Sp

ectr

al A

cce

lera

tio

n, g

Period, s

Elastic (R=1)

Inelastic (R=5)

Resultados Experimentales

(Experimental Results)

Selección del Sistema Estructural

(Structural System Selection)


Buildings) Límites del Diseño Convencional (Limits of Conventional Design )

Límites del Diseño Convencional – Restricciones en Altura (Limits of Conventional Design – Height Restrictions)


Buildings)

Límites del Diseño Convencional – Más de 80 sistemas definidos y aun así… (Limits of Conventional Design – 80+ Systems defined and still…)


Buildings)

R? ¿Por qué?

(Why?)

Límites del Diseño Convencional – Constantes R, Cd, Ω0 (Limits of Conventional Design – R, Cd, Ω0 values )


Buildings)

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCLrN3Yn_x8cCFYE4Pgod5vAG5A&url=http://forum.skyscraperpage.com/showthread.php?t=163331&ei=7lfeVbqeEIHx-AHm4ZugDg&psig=AFQjCNH1AjcbaIgjYtmplurrKwVRgrljAA&ust=1440721241218984

Problemas con la constante R: (Issues with R-values)

Cualitativo (Qualitative)

Menos Directo (Less direct)

Menos Preciso (Less accurate)

Menor Libertad de Sistemas (Less freedom of systems)

Dificultad para incorporar las nuevas tecnologías (Difficult to incorporate new technologies)

Puede ser mas costoso (Can make more costly)

Límites del Diseño Convencional (Limits of Conventional Design )


Buildings)

Sismo de Nivel de Servicio (Periodo de retorno de 43-50 años) (Service Level EQ (43-50 year return period))

Análisis con Espectro de Diseño, sin reducciones (R=1) (Response Spectrum Analysis (RSA), no reductions (R=1))

Los components estructurales serán verificados usando: (1) resistencia especificada (2) sin factores de reducción de

la resistencia (3) valores de rigidez de nivel de servicio (Structural components will be checked using: (1) specified strengths, (2) no strength reduction factors, and (3) serviceability stiffness values)

1.0D + Lexp + 1.0 Ex + 0.3 Ey

1.0D + Lexp + 1.0 Ey + 0.3 Ex

Los Ratios Demanda/Capacidad (DCR) deben satisfacer los siguientes límites: (Demand/Capacity Ratios (DCR) satisfy the following thresholds:)

Elementos Controlados por Deformación DCR ≤ 1.50 (Deformation Controlled Elements)

Elementos Controlados por Fuerzas DCR ≤ 0.70 (Force Controlled Elements)

Máxima deriva de entrepiso (h/200) (Inter-story drift maximum)

Secuencia de Diseño – Aproximación en Dos Etapas– Comprobación para Cargas a Nivel de Servicio (Frecuente) (Design Procedure – Two Step Approach – Check for SLE (Frequent) Loading)


Buildings)

Sismo Raro (periodo de retorno de 2000-2475 años) (Rare Level EQ (2000-2475 year return period))

Análisis No Lineal de Respuesta Histórica (Nonlinear Time History Analysis)

No-linealidad del material modelada (Material nonlinearity modeled)

Los components estructurales serán verificados usando: (1) resistencia esperada (2) sin factores de reducción de la resistencia (3) valores de rigidez (Structural components will be checked using: (1) expected strengths, (2) no strength reduction factors, and (3) stiffness values)

1.0D + Lexp + 1.0 E

Los Ratios Demanda Capacidad (DCR) deben satisfacer los siguientes límites: (Demand Capacity Ratios (DCR) satisfy the following thresholds:)

Controlados por Fuerzas (Críticos) DCR ≤ 1.0/1.5 (Force Controlled (Critical))

Controlados por Fuerzas (No críticos) DCR ≤ 1.00 (Force Controlled (Non-critical))

Los Elementos controlados por deformaciones deben MINIMAMENTE satisfacer los límites de comportamiento para la Prevención del Colapso (CP), generalmente LS (Deformation Controlled elements must MINIMALLY satisfy Collapse Prevention (CP) performance thresholds, generally LS)

Máxima deriva de entrepiso (h/33) (Inter-story drift maximum)

Secuencia de Diseño – Aproximación en Dos Etapas – Comprobación para Cargas MCER (raro)

(Design Procedure – Two Tiered Approach – Check for MCER (Rare) Loading)


Buildings)

SIMULACIÓN SÍSMICA COMPLETA (FULL EARTHQUAKE SIMULATION)

REGISTRO DE ACELERACIONES DEL SUELO

(GROUND ACCELERATION RECORDS)

MODELO DE ANÁLISIS NO LINEAL (NON-LINEAR ANALYSIS MODEL)

¿Qué es? (What is it?)


Buildings)

Ejemplo de Análisis No Lineal de Respuesta Histórica (Non-linear Response History Analysis Example)


Buildings)

Elementos Controlados por Deformación vs Controlados por Fuerzas (Deformation Controlled vs Force Controlled Elements)

¿Qué elementos disipan energia en caso de un terremoto significativo? What Elements Dissipate Energy in a Significant Seismic Event?


Buildings)

No Linealidad del Material – Usar ASCE41 y Ensayos del Material para el Modelo (Material Nonlinearity – Use ASCE 41 and Material Testing for Direct Modeling )

Operacional (O - Operational )

Uso Inmediato (IO - Immediate Occupancy )

Riesgo para la vida - (LS - Life Safety )

Prevención del Colapso (CP - Collapse Prevention )

Colapso (Collapse)

= Los elementos de emergencia permanecen funcionales; daños menores (Backup utility services maintain functions; very little damage) = El edificio permanence seguro para ser ocupado; reparaciones menores (The building remains safe to occupy; repairs are minor) = La estructura permanece estable y con capacidad significativa; los daños de riesgo no estructurales son limitados (Structure remains stable and has significant reserve capacity; hazardous nonstructural damage is controlled) = El edificio se mantiene en pie, pero en el límite; cualquier daño adicional puede causar el colapso (The building remains standing, but only barely; any additional damage may cause collapse) = Autoexplicado (Self-explanatory)

(O) (IO)

(LS)

(CP)

Collapse


Buildings)

No Linealidad del Material – ASCE41 y Ensayos del Material (Material Nonlinearity – ASCE 41 and Material Testing)

Modelo para Viga de Acoplamiento en Hormigón Armado

(Conventionally Reinforced Link Beam Model)

Modelo Para Viga de Acero (Steel Frame Beam Model)

Modelo para Arriostramiento Simple en Acero

(Simple Steel Brace Model)


Buildings)

Criterio de aceptación (Acceptance Criteria Illustration)

1. Valoración más precisa del comportamiento (More accurate assessment of performance)

2. Uso de sistemas previamente restringidos por su altura (Use of previously height-restricted structural systems)

3. Flexibilidad para utilizar nuevas tecnologías (Flexibility to use new technology)

Russia (1)

Los Angeles, CA USA (2)

China (3)


Buildings)

1. Valoración más precisa del comportamiento (Rusia) (More accurate assessment of performance)


Buildings)

• Torre con Tubo de Marcos Especiales (SMF): (Tower Tube Special Moment Frame)

• Columnas (Columns): S690 (100 max)

• Vigas (Beams): C390 (50 max)

• Forjado (Floor Framing): C345

• Losa (Tower Raft): B75 / 60 MPa

• Pilotes (Tower Piling): B40 / 32 MPa



Buildings)



Buildings)

Reducción - Resultados del Test Aerolástico

Reduction – Aeroelastic Test Results



Buildings)



Buildings)

Kobe Earthquake

Time Step 52.96sec

When Maximum

Joint Rotation

Observed

D1

D2

D3

D4

D1

(mm) 2.1

D2

(mm) 5.2

D3

(mm) 1.9

D4

(mm) 5.6

Node Rotation

at Peak

Response

Column Face: 420 MPa

Column Plate Fy: 690

MPa RBS: 275 MPa

Beam Plate Fy: 390

MPa

Beam Flange: 325 MPa

Beam Plate Fy: 390

MPa

Max RBS Stress

Max Beam Flange

Stress

Max Column Face

Stress



Buildings)

• Muros del núcleo en hormigón (Concrete core walls)

• Columnas tubulares de acero rellenas de hormigón (Concrete filled steel box columns)

• Forjado mixto (Composite steel floor framing)

• BRBs en tres zonas con outriggers (BRBs in three outrigger zones)

• Diagonalización de dos niveles con outriggers (Belt trusses at two outrigger zones)

2. Uso de sistemas estructurales previamente restringidos en altura (Los Angeles, CA – USA) Use of previously height-restricted structural systems


Buildings)

• Altura del núcleo = 893’ = 272m (Core height)

• Núcleo (E-W) = 893’/126’= 272m/38m = 7 (Core)

• Núcleo (N-S) = 893’/38’= 272m/12m = 23.5 (Core)

• Outriggers (N-S)

• 38’ (12m) a 108’ (33m) (8:1) (38 to 108 feet)

North

126’

38’

893’



Buildings)



Buildings)

• Las diagonals de los outriggers son BRBs (Outrigger diagonals are BRBs)

• Relativamente nuevo (Relatively new)

• 1970’s: Invención en Japón (Japan invention)

• ‘94 Northridge: 1er uso en USA (US adoption )

• En tres localizaciones (Three sets)

• 170 BRBs total

40 BRBs (Levels 28-31)





Buildings)

¿Por qué usar arriostramientos de pandeo restringido (BRBs)? Why use Buckling Restrained Braces (BRBs)?

• Componentes (Components)

• Núcleo de acero (Steel core)

• Camisa exterior (Outer sleeve)

• Limita las fuerzas (Caps forces in critical elements)

• Columnas (Columns)

• Muros de transmisión (Wall panel zones)

• Conexiones (Connections)

• Cimientos (Foundations)

• Permite elementos largos sin arriostramiento (Allows long unbraced lengths)

• Arquitecturas dramáticas (Dramatic architecture)



Buildings)

4 X 2200 kips each = 8800 kips / location



Buildings)

800 kips each



Buildings)

2200 kips each



Buildings)



Buildings)

3. Flexibilidad para usar nuevas tecnologías (China) (Flexibility to use new technology)


Buildings)

Amortiguadores en el Nivel Mecánico Superior (Dampers at Upper Mechanical Level)



Buildings)



Buildings)

Damper Scheme Conventional Scheme

Point 1: 0 kN

Point 2: 2330 kN

Point 3: 0 kN

Point 1: 4500 kN

Point 2: 0 kN

Point 3: 4500 kN

-0,600

-0,400

-0,200

0,000

0,200

0,400

0,600

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ro

of

Dis

pla

cem

en

t (m

)

Cycles

Damper

Conventional Outrigger

1

2

3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Axi

al F

orc

e (

kN)

Cycles

Damper

Conventional Outrigger

1

1

2

2

3

3

Damper Force



Buildings)

Elev

atio

n (m

)

Interstory Drifts

(Limit)

Frequent EQ X – Reduced Spectrum, z=8%

Frequent EQ Y – Reduced Spectrum, z=8%

Wind X (Code), z=6%

Wind Y (Code) z=4.5%



Buildings)

UBB Scheme Damper Scheme

Component IO Usage Ratio Average of 7 sets of Rare TH Analysis Dampers

Total Energy: 262,800 kN-m

Energía disipada por la estructura (Energy dissipated by structure) 0.33 x 262,800 = 87,700 kN-m

Energía disipada por el amortiguamiento inherente

(Energy dissipated by inherent damping)

Energía de deformación

(Strain Energy)

Time, s

Energía dispada por amortiguadores (Energy dissipated by dampers)

Energía disipada por la estructura (Energy dissipated by structure) 0.44 x 322,800 = 142,000 kN-m

Time, s

UBB Outriggers and Belt Truss

Total Energy: 322,800 kN-m

(UBB: 0.09 x 142,000 = 12,800 kN-m)

Energía disipada por el amortiguamiento inherente

(Energy dissipated by inherent damping)

Energía de deformación

(Strain Energy)



Buildings)

GRACIAS

diseÑo sísmico por desempeÑo para edificos en altura...

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